电沉积228Th面源的特性*

/上海市计量测试技术研究院

0 引言

钍射气（220Rn）是氡元素（Rn）的同位素之一，是一种气态放射性物质，在自然界中主要由地表土壤232Th衰变产生。根据联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）报告，在公众所接受的天然辐射中，氡（包括222Rn与220Rn）及其子体的剂量贡献占一半以上[1]。我国地表土壤中232Th的含量为世界平均值的1.6倍，其衰变产物220Rn及其子体对我国公众的辐射照射剂量不容忽视[2]。220Rn源是开展220Rn计量学研究、220Rn行为分析、220Rn防护技术与剂量评估等科学研究的必备要素。220Rn源从核素种类上可分为232Th源与228Th源，其中232Th源衰变产生220Rn还需经历228Ra、228Th两个半衰期较长（分别为5.75 a、1.91 a）的中间子体，达到放射性平衡需要约50 a，期间220Rn析出率随时间变化，需定期核校。228Th源只需22 d即可达到放射性平衡，更为稳定。220Rn源可直接利用较原始的放射性材料（如溶液源、矿石源、富含钍元素的汽灯纱罩等），也可以采用电沉积法、离子交换法等工艺制备，一般而言，电沉积法制备的放射源中232Th/228Th分布在浅表位置，且微观结构相对均匀一致，有利于220Rn稳定地析出。综上所述，电沉积法制备的228Th源是220Rn计量学研究的最佳选择。目前，世界上只有德国联邦物理研究院（PTB）与法国亨利·贝可勒尔国家实验室（LNE-LNHB/CEA）建立了220Rn体积活度原级标准，均采用电沉积法制备的228Th源作为220Rn源[3-4]。

上海市计量测试技术研究院此前利用离子交换法制备了232Th树脂源[5]，但其220Rn析出率需定期核校，且受温湿度影响较大，给220Rn的计量学研究带来不便。本研究利用电沉积法制备一枚228Th平面源，并通过α能谱分析与220Rn析出率测试实验研究其特性，以期更好地满足220Rn计量学研究需要。

1 材料与方法

1.1 电沉积制备过程

电沉积用源溶液采用德国PTB提供的228Th （NO3）4溶液。该溶液中228Th比活度为（7.22±0.08） kBq·g-1（k=2）（228Th比活度参考日期为2020年1月1日）。PTB采用高纯锗γ谱仪对该溶液的放射性杂质进行了检测，仅检出22Na，其比活度为228Th的0.04%，可以忽略。电沉积流程如下：

1）接通电沉积仪（Phoenix Scientific EP-4）电源，用多用表测量电流，保持电流密度约为0.40～ 0.50 A/cm（多用表测得的电流与Ag片阴极沉积面积的比值），关闭仪器电源；

2）铂金丝作为阳极插入沉积槽中，平面源基材载片（Φ 25.4 mm圆片）作为阴极，两极间距控制为5 mm，将10 mL的0.20 mol/L硫酸铵溶液装入沉积槽中，并加入1 g228Th（NO3）4溶液；

3）将0.6～1 T的棒状钕铁硼强磁体竖直放置在沉积槽外壁；

4）开启电沉积仪电源，在室温条件下电沉积反应60 min，向沉积槽中加入约1 mL的3.0 mol/L NH4OH溶液，1 min后切断电源，然后取出电沉积残液与制备好的228Th平面源；

5）将228Th平面源依次用0.5 mol/L NH4OH溶液和无水乙醇洗涤，并自然晾干。

1.2 α能谱分析

图1展示了228Th的衰变链。228Th首先衰变为224Ra，224Ra衰变产生220Rn，220Rn继续衰变，直至变为稳定核素208Pb。衰变链中228Th、224Ra、220Rn、216Po、212Bi、212Po六个核素衰变时均会释放不同能量的α射线（能量及发射概率见图1）[6]。

图1 228Th衰变链

用α能谱仪（AMETEK ORTEC ALPHA-ENSEMBLE-2）测量228Th平面源的α能谱。分析测量能谱，可确定228Th等六个α放射性核素的α计数率乃至其放射性活度。其中，根据228Th的放射性活度可反推228Th平面源制备的电沉积回收率。

对于能量超过一定阈值的α粒子，α能谱仪对其探测效率基本由几何探测效率决定，与α粒子能量基本无关。因此，本研究利用经上海市计量测试技术研究院的2πα、2πβ粒子发射率标准装置（华东地区最高社会公用计量标准，代码：37114700）校准的241Am平面源（Φ 25.4 mm）确定α能谱仪对α粒子的探测效率。

1.3 220Rn析出率测试

220Rn析出率是228Th平面源作为220Rn源最重要的参数。将228Th平面源置于上海市计量测试技术研究院自行研制的钍射气室内[7-8]，测量钍射气室内220Rn体积活度，由于该钍射气室内220Rn基本均匀分布[8]，220Rn体积活度与220Rn析出率满足式（1）[9]：

式中：R——220Rn析出率，Bq/s；

λ——220Rn的衰变常数，等于 1.25×10-2s-1；

C——220Rn体积活度，Bq/m；

V——钍射气室体积，为0.218 m3

220Rn体积活度的测量采用自制的闪烁室220Rn测量装置，该测量装置经德国PTB刻度，且通过2018年日本QST/NIRS组织的国际比对，确认了量值的准确性[10]。

2 结果分析与讨论

2.1 α能谱测量结果分析与讨论

用一枚241Am平面源（Φ 25.4 mm）确定α能谱仪对α粒子的探测效率。经2πα、2πβ粒子发射率标准装置测定，该241Am平面源表面发射率为175.0 cps，α能谱仪测量该241Am平面源的计数率为54.1 cps，由此确定α能谱仪对Φ 25.4 mm α平面源的探测效率为30.9%。

同样条件下，分别在228Th平面源制备完成后的当天、第7天、第14天、第21天用α能谱仪测量。图2展示了能谱测量结果，228Th平面源的α能谱基本呈现六个互不干扰的计数峰，分别对应六种α放射性核素，图中按能量在α能谱上取六个互不重叠的计数窗口，分别覆盖六个计数峰，并在每个计数窗口标注对应的α放射性核素。228Th、224Ra两个核素稍有特殊：228Th释放两种不同能量α粒子，因此，其计数峰在α能谱上呈现出轻微的分裂；224Ra释放两种不同能量α粒子，且较低能量的α粒子（5.45 MeV）与228Th释放的α粒子更近，因此，该部分α粒子计数将落入228Th的计数窗口。后续处理中，224Ra计数应仅考虑5.68 MeV α粒子（发射概率94.9%）的贡献，而228Th计数中应扣除224Ra 5.45 MeV α粒子（发射概率5.1%）的贡献。

图2 228Th平面源α能谱

根据测量的α能谱在六个计数窗口的计数，结合前文确定的α粒子探测效率（30.9%）、每种能量α粒子发射概率以及α平面源表面发射率与放射性活度比值的经验值（0.55），可得到228Th平面源内α放射性核素的活度随时间变化如图3所示。

从图3可以看出，228Th的放射性活度基本维持不变（均值为2.7 kBq），轻微的下降（4%以内）可能是轻微的磨损以及测量结果的不确定度造成的。224Ra的初始放射性活度近似为零，随时间逐渐增长，并在21 d的时候接近228Th的放射性活度，反映了224Ra与228Th达到放射性平衡的过程。220Rn的放射性活度同样随时间增长，但始终低于224Ra的放射性活度，这是因为220Rn整体上与224Ra保持放射性平衡，但部分220Rn以气体的形式析出并被真空泵抽出α测量腔室，未被测量到。216Po的放射性活度始终与220Rn的放射性活度保持一致，这是由于其半衰期极短（0.146 s），始终与220Rn保持放射性平衡。212Bi与212Po初始放射性活度很高，甚至超过其母体224Ra的放射性活度，这是因为电沉积用源溶液中所有放射性核素已经处于放射性平衡状态，但本研究采用的电沉积工艺不利于224Ra沉积，224Ra极少沉积至平面源，而其余子体基本完全沉积至平面源造成的。

电沉积用源溶液中228Th的放射性活度经衰变修正应为5.0 kBq，而平面源中228Th的放射性活度为2.7 kBq，因此，本枚平面源的电沉积回收率约为54%。

2.2 220Rn析出率稳定性、复现性及其受温湿度影响

228Th平面源达到放射性平衡后，将其置于钍射气室内，测量220Rn体积活度，并根据式（1）计算其220Rn析出率。在固定温湿度条件下（20 ℃、40% RH），连续测量48 h，其析出率稳定性如图4所示。228Th平面源的220Rn析出率在连续48 h内保持稳定，均值为10.04 Bq/s，相对标准差为1.2%，相对均值的最大偏差不超过2.3%，略优于此前采用232Th树脂源的稳定性测量结果（最大偏差3.0%）[8]。该结果表明本研究制备的228Th平面源的220Rn析出率在固定温湿度条件下（20 ℃、40% RH）具有良好的稳定性。

图4 228Th平面源的220Rn析出率稳定性

在固定温湿度条件下（20 ℃、40% RH）重复三次220Rn析出率测试实验，每次测试持续4 h，每组实验间隔2 d。表1展示了每次实验的析出率均值及其扩展不确定度（实验标准误差乘以扩展因子）。三次实验析出率均值最大相差0.11 Bq/s，在其扩展不确定度范围内，该结果表明本研究制备的228Th平面源的220Rn析出率在固定温湿度条件下（20 ℃、40% RH）具有良好的复现性。

表1 228Th平面源的220Rn析出率复现性

固定钍射气室内的湿度为40% RH，并改变其温度，图5展示了220Rn析出率随温度变化情况。随着温度的增高，220Rn析出率近似线性地增长，从10 ℃增至35 ℃，220Rn析出率增长2.22 Bq/s，以标准状况（20℃、40% RH）下析出率（9.97 Bq/s）为归一化因子，增长22%。

固定钍射气室内的温度20 ℃，并改变其湿度，图6展示了220Rn析出率随湿度变化情况。如图5所示，随着湿度的增大，220Rn析出率同样近似线性地增长，从25% RH增至80% RH，220Rn析出率增长2.99 Bq/s，以标准状况（20 ℃、40% RH）下析出率（9.97 Bq/s）为归一化因子，增长30%。

图5 228Th平面源220Rn析出率随温度变化情况（湿度固定为40% RH）

图6 228Th平面源220Rn析出率随湿度变化情况（温度固定为20 ℃）

其他研究者同样报道了220Rn源析出率随温湿度增长的现象[11]，近似温度变化范围时，220Rn析出率增长可达2倍，近似湿度变化范围时，220Rn析出率增长可达3倍，远高于本研究，这可能是由平面源电镀表层的微观结构及228Th原子的分布所导致。由此可见，228Th平面源析出率稳定性对环境变化具有更佳的抗性，有利于220Rn计量学研究。

3 结语

220Rn源是开展220Rn计量学研究、220Rn行为分析、220Rn防护技术与剂量评估等科学研究的必备要素。其中电沉积工艺制备的228Th源是220Rn源的最佳选择。本文采用电沉积法制备了一枚228Th面源，其电沉积回收率为54%。在后续的工作中，应致力于进一步研究改善电沉积工艺，提高电沉积回收率，以提高源溶液的利用率并减少放射性废液的产生。该枚228Th面源的220Rn析出率具有良好的稳定性、复现性，且受温湿度影响较小。这意味着使用该228Th面源有利于保证实验过程中220Rn体积活度的稳定性与一致性，可满足上海市计量测试技术研究院日常220Rn体积活度校准工作、220Rn测量技术研究工作等220Rn计量学研究的需要。研究结果也提示保证钍射气室的温湿度稳定对于220Rn体积活度稳定仍具有相当的必要性。